一種類石墨材料的場(chǎng)發(fā)射性能

王蜀霞，賀葉露，杜聲玖，刁凱迪

(重慶大學(xué) 物理學(xué)院，重慶400044)

石墨纖維場(chǎng)致發(fā)射性能的研究從1970年開(kāi)始。Y.Chen等［1］制備的石墨纖維材料在2.5 V/μm外加電場(chǎng)下獲得了μA級(jí)的場(chǎng)致發(fā)射電流(表明石墨纖維材料具備一定的場(chǎng)致發(fā)射性能)。MA Hui-zhong等［2］利用脈沖激光消融法制備出一種類石墨薄膜，開(kāi)啟電場(chǎng)為10.8 V/μm。Busta等［3］在硅襯底上利用直流電弧放電法制備了納米級(jí)石墨薄膜，在直徑分別為0.5 mm和2 mm的面積上得到了發(fā)射點(diǎn)密度為10μA/cm2的結(jié)果。但至今對(duì)石墨薄膜的制備及在場(chǎng)發(fā)射方面的應(yīng)用［4－6］報(bào)導(dǎo)得較少。本文采用傳統(tǒng)的熱CVD法在Ni絲上沉積了一種類石墨材料，并應(yīng)用二極結(jié)構(gòu)對(duì)其場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明該材料具有良好的場(chǎng)發(fā)射特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 類石墨材料制備

類石墨材料由傳統(tǒng)的CVD法制備，以CH4為碳源氣體，H2為還原氣體，Ar為保護(hù)氣體。將氣體先后通入石英管中并加熱，在長(zhǎng)為4 cm半徑為0.5 mm的Ni絲上直接沉積反應(yīng)產(chǎn)物，此時(shí)Ni絲既作催化劑又作沉積襯底。制備成復(fù)合絲狀冷陰極材料。原理如圖1所示。

圖1 熱CVD法裝置原理

1.2 場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試

復(fù)合絲狀冷陰極場(chǎng)發(fā)射性能采用二極式測(cè)試，陽(yáng)極為U形銅槽，銅槽半徑為3 cm，長(zhǎng)為4 cm。將復(fù)合絲狀陰極置于U形槽中心，故陰陽(yáng)間距為3 cm。場(chǎng)發(fā)射測(cè)試在定制的場(chǎng)發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行，腔體真空度～8×10－4Pa。電壓0～104V連續(xù)可調(diào)，原理如圖2所示。分別測(cè)試I－E曲線、I－T曲線。

圖2 類石墨材料場(chǎng)發(fā)射二級(jí)管結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌表征

圖3為沉積在Ni絲上的類石墨，即表面一層的黑色物質(zhì)，因Ni絲底部需與石英管接觸，故有效沉積面積只有Ni絲表面積的一半。

圖3 CVD法直接在Ni絲上沉積的類石墨實(shí)物

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對(duì)所類石墨材料進(jìn)行形貌分析，與傳統(tǒng)石墨有類似之處但其結(jié)構(gòu)更加獨(dú)特，是一些納米片狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的團(tuán)族，宛若花瓣，既有尖端結(jié)構(gòu)又有刃狀結(jié)構(gòu)。這些對(duì)場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)應(yīng)該有很大的幫助。如圖4所示。

2.2 Raman光譜分析

圖5為類石墨材料的一階Raman光譜，在1 300 cm－1和1 580 cm－1附近出現(xiàn)峰值，分別為D峰和G峰，進(jìn)一步證明材料中含有石墨微結(jié)構(gòu)存在，所以取名為類石墨材料。

2.3 場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試

由圖6可以看出I－E曲線呈指數(shù)關(guān)系。在1.7 V/μm外加電場(chǎng)下獲得了μA級(jí)的場(chǎng)致發(fā)射電流，當(dāng)外加電場(chǎng)大于2.5 V/μm時(shí)，場(chǎng)發(fā)射電流隨著外加電場(chǎng)迅速增大。當(dāng)外加電場(chǎng)為4 V/μm時(shí)，電流密度達(dá)到1.85 mA/cm2。

通過(guò)I－E曲線可以作出相應(yīng)的F－N曲線(圖6)，可以看出F－N曲線近似為一條直線，說(shuō)明該材料具有優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性能。

圖6 類石墨場(chǎng)發(fā)射I－E曲線和F－N曲線

圓柱形內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)公式為

其中:R=3 cm，為U槽半徑;r=0.5 mm，為Ni絲的半徑。絲狀陰極有效發(fā)射長(zhǎng)度L=4 cm，有效發(fā)射面積為πrL，計(jì)算可知，其開(kāi)啟電壓為2 800 V，開(kāi)啟電場(chǎng)為2.5 V/μm。鑒于該類石墨材料是碳基材料的一種，本文對(duì)比了其他常見(jiàn)碳基材料的開(kāi)啟電場(chǎng)，如表1所示。

表1 不同材料的開(kāi)啟電場(chǎng)

為了測(cè)定類石墨材料的最高工作電場(chǎng)強(qiáng)度，仍將陰陽(yáng)間距保持在3 cm，真空度在8×10－4Pa下，逐漸增大電壓，場(chǎng)發(fā)射電流開(kāi)始隨電壓的增加迅速增大。當(dāng)外加電壓達(dá)到一定值后(8×103V)，場(chǎng)發(fā)射電流開(kāi)始減小，且減小得越來(lái)越快。可以推測(cè)此時(shí)類石墨材料在過(guò)高的電場(chǎng)強(qiáng)度下表面形態(tài)已經(jīng)被損毀?？梢园?×103V看做該材料的最高工作電壓，即最高工作電場(chǎng)強(qiáng)度為3.9 V/μm，但由于每根Ni絲上沉積的類石墨材料性能有所差異，所以在最高工作電壓、相同電壓下場(chǎng)發(fā)射電流、開(kāi)啟電場(chǎng)和閾值場(chǎng)也相應(yīng)地有一點(diǎn)差異，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，這種材料的最高工作電壓一般在104V左右。超過(guò)104V后，材料很容易被損毀，故在測(cè)試其性能時(shí)一般都保持其正常工作電壓為2×103～1×104V。

較其他碳材料(如碳納米管)，類石墨邊緣是連續(xù)的，即使邊緣上某發(fā)射點(diǎn)失效，其他發(fā)射點(diǎn)也繼續(xù)保持發(fā)射的連續(xù)性，使得發(fā)射穩(wěn)定性可靠。圖7為4×103V下類石墨的場(chǎng)發(fā)射電流穩(wěn)定性測(cè)試圖。真空度維持在～8×10－4Pa下，測(cè)試發(fā)現(xiàn)在60 min內(nèi)電流整體波動(dòng)較小，顯示出良好的穩(wěn)定性能，且當(dāng)電壓為4×103V時(shí)，場(chǎng)發(fā)射電流密度為40μA/cm2(圖8)，進(jìn)一步顯示了這種類石墨材料具有優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性能。

圖7 類石墨材料場(chǎng)發(fā)射最高工作電壓圖

2.4 類石墨材料在照明方面的應(yīng)用

將U型銅槽內(nèi)部涂上均勻的熒光粉，模擬成燈管的陽(yáng)極。表面沉積有類石墨的Ni絲作為熒光燈的燈絲并作為陰極。當(dāng)陰陽(yáng)兩極的電壓達(dá)到4×103V以后，U型槽內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)白色的光斑，如圖9(a)所示。當(dāng)電壓達(dá)到8×103V，槽內(nèi)發(fā)出耀眼白光，如圖9(b)所示。圖9(c)為綠光。

對(duì)熒光燈的電流穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，電流局部雖有波動(dòng)，但整體表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。電流大小較圖8有所增加，主要是因?yàn)闆](méi)涂覆熒光粉時(shí)，從類石墨發(fā)射出的電子在電場(chǎng)下加速打在銅靶上，類似于X射線管情形，此時(shí)一部分電子進(jìn)入銅靶，一部分電子被銅靶散射，故電流較小。涂覆熒光粉后，熒光粉和銅靶的結(jié)合可以看作MS接觸(所采用的熒光粉主要成分是ZnS)，由于金屬與n型半導(dǎo)體間功函數(shù)不一樣，(Ef)s＞(Ef)m，n型半導(dǎo)體中的電子將流向金屬，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，n型半導(dǎo)體中電子將進(jìn)一步流向金屬直到二者費(fèi)米能級(jí)平衡，故涂覆有熒光粉后相同電壓下電流會(huì)增大。

圖10 熒光燈的電流穩(wěn)定性測(cè)試

3 結(jié)束語(yǔ)

采用(CVD)法制備了一種類石墨材料，用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和Raman光譜對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)表面形貌為花瓣片狀結(jié)構(gòu)，邊緣具有突出尖端。采用二極結(jié)構(gòu)對(duì)這種材料的場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)外加電場(chǎng)1.7 V/μm時(shí)獲得了μA級(jí)的發(fā)射電流，當(dāng)電場(chǎng)為4 V/μm時(shí)，電流密度達(dá)到1.85 mA/cm2。開(kāi)啟電場(chǎng)為2.5 V/μm，最高工作電壓為8×103V到104V。實(shí)踐證明，該材料在冷陰極電子源如熒光燈、X射線管方面有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。

致謝:感謝重慶大學(xué)－重慶啟越涌陽(yáng)微電子科技發(fā)展有限公司FGNT研究與應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室對(duì)本工作提供的設(shè)備和樣品。

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